DE3341948A1

DE3341948A1 - Schaltung zur erzeugung eines zweiphasigen treiberstromes fuer einen bipolaren buerstenlosen motor

Info

Publication number: DE3341948A1
Application number: DE19833341948
Authority: DE
Inventors: Yeong Choon Kwangju Jonranamdo Chung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-11-22
Filing date: 1983-11-21
Publication date: 1984-06-20
Also published as: KR840001387B1; BE896365A; US4472664A; IT1169088B; JPS5996894A; IT8349368A0; KR840002594A; FR2536605A1

Description

Schaltung zur Erzeugung eines zweiphasigen Treiberstromes für einen bipolaren bürstenlosen Motor

Die Erfindung betrifft eine Schaltung, insbesondere eine kreuzweise verbundene Schaltung zur Erzeugung eines zweiphasigen Treiberstromes für einen bipolaren bürstenlosen Motor sowie einen bürstenlosen Motor mit einer derartigen Schaltungsanordnung.

Gemäß der Erfindung wird eine Schaltung zur Erzeugung eines zweiphasigen Treiberstromes für einen bipolaren bürsten]ösen Motor angegeben, die vier Ausgangsleitungen und zwei Sätze von vier über Kreuz verbundenen Schalttransistoren aufweist, die so geschaltet sind, daß die vier Ausgangsleitungen an die Netzversorgung angeschlossen werden, wobei jeweils zwei der Schalttransistoren an die jeweilige Ausgangsleitung angeschlossen sind und jeweils zwei der Schalttransistoren vom jeweiligen Steuertransistor gesteuert sind.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines

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Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung naher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 (A) und (B) Wellenformen für bipolare und unipolare

Zweiphasen-Strommotoren;

Fig. 2 (A) und (B) die Anordnung der Zweiphasen-Feldwicklungen für einen bipolaren Zweiphasen-Motor in scheinatischer Darstellung sowie das umlau

fende Magnetfeld, das durch die Zweiphasenströme erregt wird;

Fig. 3 eine schematische Darstellung im Querschnitt eines bipolaren Zweiphasen-Motors

in verschiedenen Positionen eines Zyklus;

Fig. 4 (A) und (B) schematische Schaltbilder einer kreuzweise geschalteten Schaltung zur Erzeugung eines Treiberstromes für einen bipolaren

Motor gemäß der Erfindung; und in

Fig. 5 (A), (B) und (C) schematische Darstellungen einer

Anordnung, bei dem der Motor asynchron ¹¹¹^t einer geschlossenen Schleife angetrie

ben wird.

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Herkömmliche Antriebssysteme für bürstenlose Cleich-

3Q strommotoren und Schrittmotoren, die eine unipolare Treiberschaltung verwenden, welche Stromwellenforinon der in Fig. 1 (B) dargestellten Art erzeugen, bei denen der Strom nur in einer Richtung fließt, sind einfach und wirtschaftlich. Die Nachteile e.inor derartigen unipolaren

3g Treiberschaltung sind die geringe Effizienz ihrer Feldwicklung, die breite Schwankung und das dai^it /.ϊΐ:-.?:-ιΠΗ·η-

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hängende Pendeln um einen Sollwert sowie die langsamen Ansprechzeiten. Außerdem ist ein mehrphasiger Erregerstrom erforderlich.

Stromwellenformen von der in Fig. 1 (A) dargestellten Art, die von einer bipolaren Treiberschaltung erzeugt werden, in der der Stromfluß in den Wicklungen in zwei Richtungen erfolgt, sind jedoch mit Wicklungen hoher Effizienz und mit guten Leistungskennwerten verbunden. Zur Erzielung dieser Treibereigenschaften sind raffinierte Treibersysteme erforderlich.

Gemäß der Erfindung wird eine wirtschaftliche Schaltung mit zugeordneter Steuerlogik angegeben, welche die Strom-Charakteristiken gemäß Fig. 1 (B) erzeugt, die einen hohen Grad an Effizienz besitzt, so daß es möglich ist, sowohl einen Asynchronmotorantrieb in einem Steuersystem mit geschlossener Schleife als auch einen Synchronantrieb in einem Steuersystem mit offener Schleife und Selbststarter anzugeben. Somit kann eine komplexe Steuerung, die bei einem herkömmlichen Antriebsmotor nicht möglich war, bei einem zweiphasigen bürstenlosen Motor realisiert werden.

Zweiphasen-Wicklungen 11 bis 18, die in Fig. 2 (A) schematisch dargestellt sind, sind in der Folge (1) bis (8) um den Motor angeordnet, wie es Fig. 2 (B) zeigt. Die relative Richtung der Wicklungen ist in jedem Falle in Fig. 2 (A) durch Pfeile angegeben. Wenn somit beispiels-

OQ weise die Wicklung 11 im Uhrzeigersinn gewickelt ist, gilt dies auch für die Wicklungen 12, 15 und 16, während die Wicklungen 13, 14, 17 und 18 im Gegenuhrzeigersinn gewickelt sind. Es darf jedoch darauf hingewiesen werden, daß die Wicklungen 11, 13, 15 und 17 zwischen die Leitungen

J35 W1 und W2 geschaltet sind, während die Wicklungen 12, 14, 16 und 18 zwischen die Leitungen W3 und W4 geschaltet sind,

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so daß die beiden Sätze von Wicklungen 11, 13, 15 und sowie 12, 14, 16 und 18 separat von Strömen unterschiedlicher Phase erregt werden können. Wenn Zweiphasen-Ströme an die Leitungen W1, W2, W3 und W4 dieses bipolaren Antriebssystems in einer nachstehend näher beschriebenen Schaltfolge angelegt werden, wird ein achtpoliges rotierendes Magnetfeld in acht Stufen (1-8) gemäß Fig. 2 (B) induziert.

*^ Im allgemeinen ist die Anzahl der Pole in einem Motor mit Zweiphasen-Feldspulen gegeben durch 2N(2, 4, 6, 8, ...) Die Anzahl der Pole im Feld und im Rotor, der durch die bipolaren Zweiphasen-Ströme gemäß der Erfindung angetrieben wird, ist etwas unterschiedlich. Mit anderen Worten, hinsichtlich der Feldspule erhält die Anzahl der Pole den Wert Ps = 2 χ 2N, und hinsichtlich der Rotor spule bekommt die Anzahl der Pole den X*7ert Pr = 2N.

Die Rotationsfolge eines 4-poligen Rotors in Synchronisation mit der 8-poligen Feldspule ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei ist die Anordnung stets wirksam, unabhängig von der abwechselnden Phase des bipolaren Zweiphasenstromes. Wie in Fig. 3 dargestellt, erfolgt eine Drehung des 4-poligen Rotors aus acht Schritten mit 45° pro Schritt. Die obere Darstellung (a) in Fig. 1 (A) zeigt die Richtung des Stromes durch die Wicklungen 11, 13, 15 und 17, wenn diese durch eine Treiberschaltung und eine nachstehend näher beschriebene Steuerlogik gesteuert sind, wobei es sich dabei natürlich auch um eine Darstellung der Potentialdifferenz (W1 - W2) zwischen den beiden Leitungen W1 und W2 handelt. In gleicher Weise zeigt die untere Darstellung (b) in Fig. 1 (Λ) die Richtung des Stromes durch die Wicklungen 12, 14, und 18, die auch die Potent i al di fferenz (YIi - K4) zwischen den beiden Leitungen V?3 und V?4 eingibt. Derartige Wellenformen erzeugen ein rotierendes Magnetfeld,

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dessen Winkel in der Zeichnung angegeben ist.

Die Treiberschaltung und die Steuerlogik zur Erzielung

des rotierenden Feldes sind in Fig. 4 dargestellt und 5

werden nachstehend näher erläutert.

Wie aus Fig. 4 (A) ersichtlich, weist eine Verstärkerschaltung eine Spannungsversorgung 27 sowie Schalttransistoren Q1 bis Q4 und Q5 bis Q8 auf, wobei die Transistoren Q1 bis Q4 über Kreuz miteinander verbunden und die Transistoren Q5 bis Q8 ebenfalls über Kreuz verbunden sind, wie es die Zeichnung zeigt. Um die Transistoren Q1 bis Q8 zu schalten, sind der Kollektor und der Emitter eines Steuertransistors Q9 an die Basen der Schalttransistoren Q1 bzw. Q2 angeschlossen; Kollektor und Emitter eines Steuertransistors Q10 sind an die Basen der Schalttransistoren Q3 bzw. Q4 angeschlossen; Kollektor und Emitter eines Steuertransistors Q11 sind an die Basen der Schalttransistoren Q5 bzw. Q6 angeschlossen; und Kollektor und Emitter eines Steuertransistors Q12 sind an die Basen der Schalttransistoren Q7 bzw. Q8 angeschlossen.

Wenn ein Paar von Transistoren Q1, Q2 und Q3, Q4 eingeschaltet oder abgeschaltet wird, wird die Polarität dos Ausganges zwischen den Leitungen W1 und W2 geändert, und die Polarität des Ausganges zwischen den Leitungen W3 und W4 wird geändert, wenn eines der Paare von Transistoren Q5, Q6 und Q7, Q8 eingeschaltet oder abgeschaltet

"30 wird. Wenn man dafür sorgt, daß die Transistoren Q1 bis Q4 und Q5 bis Q9 als unabhängige bipolare Schalter arbeiten und wenn man sie zu geeigneten Zeitpunkten einschaltet oder abschaltet, so kann man.Zweiphasen-Ströme erzeugen, deren Phasendifferenz 90° beträgt.

Zunächst einmal werden, wenn der Transistor Q9 einge-

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schaltet wird, die Transistoren Q1 und Q2 eingeschaltet, so daß die Leitungen W1 und W2 auf die Potentiale + bzw. - gehen; zu diesem Zeitpunkt sollte der Transistor Q10 abgeschaltet sein. Wenn als nächstes der Transistor Q9 abgeschaltet wird, während der Transistor Q10 eingeschaltet wird, werden die Transistoren Q3 und Q4 eingeschaltet, so daß die Leitungen W1 und W2 auf die Potentiale - bzw. + gehen.

Wie. oben erwähnt, können die Leitungen W1 und W2 einen bipolaren Antrieb entsprechend dem Schaltbetrieb der Steuertransistoren Q10 und Q9 durchführen. Die Leitungen W3 und W4 können auch einen bipolaren Antrieb entsprechend dem Schaltbetrieb der Steuertransistoren Q11 und Q12 durchführen.

Um den bipolaren Zweiphasen-Stram zu erzeugen, kann wenn die Transistoren Q9 bis Q12 in der in Tabelle 1 dargestellten Weise eingeschaltet oder abgeschaltet werden, der Zweiphasen-Strom erhalten werden, der in Fig. 1 (n) dargestellt ist. Die Steuertransistoren Q9 bis Q12 werden von Stromsteuersignalen i1 bis i4 gesteuert, und Tabelle 2 zeigt das binäre Logiksignal, welches die elektrischen Signale i1 bis i4 repräsentiert, welche durch die Basen der Transistoren Q9 bis Q12 fließen.

In Tabelle 2 steht das Signal 0 für das Einschalten der Transistoren Q9 bis Q12, und das Signal 1 steht für das Abschalten der Transistoren Q9 bis Q12, wobei die Folge der Signale i1 bis i4 angegeben ist, die für jeden .Schritt erforderlich sind.

Fig. 4 (B) zeigt eine TreiborlogikschaHung, welche die Signale i1 bis i4 liefert. Ein durch 4 1 oil endor Zdhlor IC1 und ein 1 aus 4 Decoder TC2 führen eine 2-B.it-Binärringzählung durch. Um die gleichen Au:;.y.mi:r>s i gr-al ο

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in der Folge gemäß Tabelle 2 zu erzeugen, sind NAND-Gatter 20 und 21 an die Ausgänge des 1 aus 4 Decoders IC2 angeschlossen, wobei der Ausgang des NAND-Gatters 20 an den Steuertransistor Q9 über einen Inverter 31 und einen Widerstand R1 (vgl. Fig. 4 (A)) und an den Steuertransistor Q10 über einen Widerstand R2 angeschlossen ist; der Ausgang des NAND-Gatters 21 ist an den Steuertransistor Q11 über einen Inverter 32 und einen Widerstand R3 sowie an den Steuertransistor Q12 über einen Widerstand R4 angeschlossen.

Wenn der Ausgang (1) des Decoders IC2 auf den Wert 0 und die Ausgänge (2), (3), (4) des Decoders IC2 auf den Wert 1 gehen, so erhält man die folgenden Werte: i1 = 0, 12 = 1, i3 = 1 und i4 = 0. Wenn der Ausgang (2) des Decoders IC2 auf den Wert 0 und die Ausgänge (1), (3), (4) des Decoders IC2 auf den Wert 1 gehen, so erhält man die Werte: i1 = 1, i2 = 0, 13 = 1 und i4 = 0. Wenn der Ausgang (3) des Decoders IC2 auf den Wert 0 und die Ausgänge (1), (2) und (4) des Decoders IC2 auf den Wert gehen, so erhält man die Werte: i1 = 1, i2 = 0, i3 = und i4 = 1. Wenn der Ausgang (4) des Decoders IC2 auf den Wert 0 und die Ausgänge (1), (2), (3) des Decoders I.C2 auf den Wert 1 gehen, so erhält man die Werte:

i1 = 0, i2 = 1, i3 = 0 und i4 = 1 .

Während dieser vier Schritte werden die Ausgangssignale i1 bis x4 an die Basen der Steuertransistoren Q9 bis Q12 angelegt und die Schaltoperationen gemäß Tabelle durchgeführt, so daß der Sweiphasen-Strom gemäß Fig. durch die Schaltung der Schalttransistoren Q1 bis Q8 erhalten werden kann.

Die Relation zwischen den Eingangs impuilsen des durch 4 teilenden Zählers JC1 in der Treiber]ogikschaltung und den Zweiphasen-Strömen, die auf den Leitungen W1

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bis W4 in der Treiberschaltung erhalten werden, ist in Tabelle 3 zusammengestellt. Die Relation zwischen den Eingangsimpulsen zum Zähler IC1 und den Ausgangssignalen an den Eingängen D1 und D2 dos Decoders IC2 sind in Tabelle 4 zusammengestellt.

Da die Zählgeschwindigkeit sich in Abhängigkeit von der Frequenz der Eingangsimpulse zum Zähler IC1 ändert und die Frequenz der Zweiphasen-Ströme auf den Leitungen W1 bis W4 dadurch ebenfalls variiert wird, steuert der Zähler IC1 die Geschwindigkeit der Drehung des Motors. Da auch die Zählfolge des Zählers IC1 durch ein Vorwärts/ Rückwärts-Steuersignal geändert werden kann, das an den Zähler IC1 angelegt wird, kann auch die Drehrichtung des Motors geändert werden. Wenn kein Eingangsimpuls vorliegt, so unterbricht der Motor die Drehung mit einem Dämpfungsfaktor, der so groß wie das Drehmoment ist. Wenn daher die Impulse an die Eingänge des Zählers 1C1 gegeben werden, erfolgt eine Schrittsteuerung durch die Frequenzsteuerung mit offener Schleife.

Die Relation zwischen dem Drehwinkel und der Polanzahl kann geschrieben werden als

D = f-f (1),

wobei D = Drehwinkel pro Schritt

Ps = Polanzahl in der Feldwicklung.

Wenn andererseits das 2~Bit-Zählsignal an die Eingänge D1 und D2 des Decoders JC2 angelegt wird, wie es in Tabelle 4 angegeben ist, weiden die Ain-gargss ignalc i1 bis i4 gemäß Tabelle 2 erhalten, und es fließen Zweiphasen-Ströme in den Leitungen W1 bis W4, während der Zähler IC1 die Eingangsimpulse zählt.

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-ΟΙ Wenn die 2-Bit-Zählsignale entsprechend der Position des Rotors auf die Eingänge D1 und D2 rückgekoppelt werden, so wird eine Geschwindigkeitssteuerung mit geschlossener Schleife geschaffen. Dieses Prinzip wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 5 'näher erläutert.

Die 2-Bit-Binärzähldaten sind auf der Oberfläche eines binär codierten Positionsanzeigezylinders vorgesehen, der so angebracht ist, daß er sich mit dem Rotor 24

IQ eines Motors 23 dreht. Die Binärcodierungen sollen die Position des Rotorpoles um einen Schritt weiterführen. Mit Meßfühlern S1 und S2, die an Leitungen A1 und B1 angeschlossen sind, werden die Zähldaten, welche das rotierende Feld immer um einen Schritt weiterführen,

2g an die Eingänge D1 und D2 des Decoders IC2 angelegt.

Wenn die Datensignale an die Eingänge D1 und D2 angelegt werden, wird der bipolare Zweiphasen-Strom, der um einen Schritt voreilt, über die Leitungen W1 bis 2Q W4 an die Feldwicklung angelegt. Dann wird wegen des voreilenden rotierenden Feldes ein Drehmoment aufgebaut.

Damit die vier Schrittdaten, die an die Eingänge D1 und D2 der Anordnung gemäß Fig. 4 (B) angelegt werden, die Position dos Rotors synchronisiert mit der Feldwicklung um einen Schritt weiterführen können, sind die Markierungen als binär codierte Signale auf dem binär codierten Positionsanzeigezylinder 25 in der Weise angeordnet, daß die Markierungen die Position des Rotors um einen Schritt

OQ weiterführen. Da die Signale von den Sensoren oder Meßfühlei'n A1 und B1 die Position des synchronisierten Rotors immer weiterführen, wird für einen asynchronen Motorantrieb mit geschlossener Schleife gesorgt.

op- Da die Treiberschaltung und seine Logikschaltung aus Halbleitern und Widerständen aufgebaut sind, können sie

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auf einem einzigen Chip integriert und leicht in Massenherstellung produziert werden.

Da ein Zweiphasen-Motor, bestehend aus einem Stator mit 2 χ 2N Polen und einem Rotor mit der halben Anzahl von Statorpolen, infolgedessen von dem bipolaren Zweiphasen-Strom angetrieben werden kann, lassen sich eine hohe Wirksamkeit bei der Erregung der Wicklung, ein großes Drehmoment bei kleinem Volumen sowie eine Geschwindigkeitssteuerung nicht nur durch Synchronantrieb mit offener Schleifensteuerung, sondern auch ein Asynchronantrieb mit geschlossener Schleifensteuerung erreichen. Wenn man eine kleine Leistung sowie eine Servoanordnung steuern kann, so läßt sich ein bürstcnloser Gleichstrommotor ° angeben, der im Betrieb zahlreiche Steuermöglichkoi.ten besitzt.

Claims

Chung Yeong Choon 34-76 Jisan-dong Kwangju-shi, Jonranamdo, Korea Schaltung zur Erzeugung eines zweiphasigen Treiberstromes für einen bipolaren bürstenlosen Motor P a t__e_ n__t _a η s_ ρ r_ ü_ c h e

1.)Schaltung zur Erzeugung eines zweiphasigen Treiberstromes für einen bipolaren bürstenlosen Motor, gekennzeichnet durch vier Ausgangsleitungen (W1 bis W4) und zwei Sätze von über Kreuz miteinander verbundenen Schalttransistoren (Q1 bis Q4, Q5 bis QB), die zur Schaltung einer Energieversorgung (27) an die vier Ausgangsleitungen (Wl bis W4) angeschlossen sind, wobei jeweils zwei Schalttransistoren an die jeweilige Ausgangsleitung angeschlossen sind und jeweils zwei dor Schalttransistoren von jeweils einem Slouertransisior (Q9 bis Q12) gesteuert sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Basen der eryiun und /.weilen Schalttransistoren (Q1, Q2) an den ersten Steuorirnnsistor (Q9) angeschlossen sind, daß die Brisen der uriilon und vierten Schalttransistoren (Q3, Q4) an einen xv.oiton Stuuori ransistor (Q10) .mgoschl orsen sind, daß die "..i.S(?n

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iü.'ja-n · Γι-UTon.

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der fünften und sechsten Schalttransistoren;(Q5, Q6) an einen dritten Steuertransistor (Q11) angeschlossen sind, und daß die Basen der siebten und achten Schalttransistoren (Q7, Q8) an den vierten Steuertransistor (Q12) angeschlossen sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der erste (Q1) und der vierte Schalttransistor (Q4) über Kreuz verbunden sind, daß der zweite (Q2) und der dritte Schalttransistor (Q3) über Kreuz verbunden sind, daß der fünfte (£)5) und der sechste Schalttransistor (Q8) über Kreuz ve-rbunden sind, und daß der sechste (Q6) und der siebte (Q7.^;) Schalttransistor über Kreuz verbunden sind. '

4. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Energieversorgung für die erste Ausgangsleistung (W1) von dem zweiten (Q2) und dem dritten Schalttransistor

²^ (Q3) gesteuert ist, daß die Energieversorgung für die zweite Ausgangsleitung (W2) von dem ersten (Q1) und dem vierten Schalttransistor (Q4) gesteuert ""ist/ daß die Energieversorgung für die dritte Ausgangsl^itung (W3) von dem sechsten (Q6) und dem siebten Schalttransistor

²^ (Q7) gesteuert ist, und daß die Energieversorgung für die vierte Ausgangsleitung von dem fünften!(Q5) und dem achten Schalttransistor (Q8) gesteuert; ist.

5. Schaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1* bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die erste (W1) und die zweite Ausgangsleitung "(W2) an einen ersten Satz von Wicklungen (11, 13, 15, 17;) und die dritte (W3) und die vierte Ausgangsleitung (W4) ah einen zweiten Satz von Wicklungen (12, 14, 16, 18) angeschlossen sind.

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6. Schaltung nach einem ,oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuertransistoren (Q9 bis Q12) von einer Treiberlogikschaltung gesteuert sind, die einen durch 4 teilenden Zähler (IC2) aufweist, der an einen 1 aus 4 Decoder (IC1) angeschlossen ist, daß die Ausgänge des Decoders (IC2) an zwei NAND-Gatter (20, 21) angeschlossen sind, daß die Ausgänge jedes NAND-Gatters (20, 21) an einen entsprechenden Steuerwiderstand (R1 bis R4) und einen entsprechenden Inverter (31, 32) angeschlossen sind, und daß der Ausgang jedes Inverters (31, 32) mit einem entsprechenden Steuerwiderstand (R1 , R3) verbunden ist.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die aus der Drehung des Motors (23) abgeleiteten Steuersignale dem Decoder (JC2) zugeführt werden, um einen Asynchronantrieb mit geschlossener Schleife zu liefern.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß Sensoren (S1, S2) zur Abtastung der Drehung des Motors (23) mit Detektoren vorgesehen sind, wobei die Sensoren (S1, S2) an die Eingangsleitungen (D1, D2) des Decoders (IC2) angeschlossen sind, und daß ein einen Binärcode tragender Zylinder (25) derart angeordnet ist, daß er sich mit der Welle des Rotors des Motors (23) dreht, wobei die Codes von den Sensoren (S1, S2) zur Abtastung der Position dos Rotors abgetastet werden.